CN105352624B - 全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统，将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面；将激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激发的两种不同波长的荧光；将两种不同波长的荧光分离，并将不同波长荧光下的稀土薄膜分别成像；对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调，通过计算不同波长荧光下的稀土薄膜成像对应点的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布。本发明具有测温快、精度高等优点，并能够实时显示器件表面的二维温度分布状况。

Description

全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统

技术领域

本发明属于器件温度监测技术领域，涉及一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统，尤其涉及一种利用光学手段对器件高温点进行快速发现与检测的方法及系统。

背景技术

随着工业界对电子器件性能需求的提升，其元器件的尺寸不断减小，微米、纳米电子器件已经广泛应用于各种大规模集成电路。这种小尺寸的电子器件电阻阻抗通常比较大，使得焦耳热效应不可忽略。电子器件通道内的局域阻抗非常小的变化，就有可能在电子器件上产生局部高温。局部高温区域如果不被发现和处理，可能会导致器件性能退化或损伤。为了避免对器件的灾难性破坏，准确获得局部高温区域的位置至关重要。但是，局域高温位置不仅依赖于器件设计，还与集成电路的质量有关，往往很难先验预测。目前，微电子学器件的温度测量方法主要采用拉曼光谱技术，其测量的精度、效率和速度都受到限制，且无法对面目标进行高分辨率测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法步骤如下：

步骤1、将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面；所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF₄、Yb³⁺和Ho³⁺粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面；

步骤2、将激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激发的两种不同波长的荧光；

步骤3、将两种不同波长的荧光分离，并将不同波长荧光下的稀土薄膜分别成像；

步骤4、对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调，通过计算不同波长荧光下的稀土薄膜成像对应点的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布，两种不同波长的荧光的能量比其中，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T₁时的能量比η₁，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度。

本发明还提供一种实现全光纤式设计的器件微米尺度温度分布测量的系统，包括激光器、光纤环形器、光纤透镜，稀土薄膜、光纤耦合器、第一光纤准直器、第一滤光片、第三光纤准直器、第一探测器和第二光纤准直器、第二滤光片、第三光纤准直器、第二探测器、三维位移平台。

所述的稀土薄膜涂覆在待测量器件样品表面，待测量器件样品固定于三维位移平台上；所述激光器发出的激发光源经光纤耦合输出后由端口1进入光纤环形器，由光纤环形器的端口2输出，经光纤透镜会聚于稀土薄膜表面；通过三维位移平台调整光束经过光纤透镜后在稀土薄膜表面的会聚点位置；稀土薄膜受激发光源激发后发出两种不同波长的荧光，两种荧光混合在一起被光纤透镜收集，从端口2进入光纤环形器并从端口3输出，经光纤耦合器分为光束1和光束2，光束1和光束2分别经第一光纤准直镜和第二光纤准直镜准直到第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片和第二滤光片均为窄带滤光片，第一滤光片仅允许波长1的光通过，第二滤光片仅允许波长2的光通过；滤波后波长1的荧光经第三光纤准直器收集传导到第一探测器，波长2的荧光经第四光纤准直器收集传导到第二探测器；通过对第一探测器和第二探测器所探测到的信号进行解调，计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处表面的温度；通过调整三维位移平台使光纤透镜的聚焦点遍历稀土薄膜表面，得到待测量器件样品表面的二维温度分布。

所述的光纤环形器仅允许光束从端口1进入并从端口2输出，或者从端口2进入并从端口3输出。

本发明的有益效果是：具有测温快、精度高等优点，并能够实时器件表面某点的温度分布状况。同时，由于系统中使用了光纤透镜，光纤透镜具有会聚激发光源和收集荧光信息的双重作用。通过三维位移平台移动光束通过光纤透镜后在被测样品表面的聚焦点位置，可以实现被测样品表面不同点温度的测量，通过移动光纤的聚焦点位置在被测样品表面做二维扫描，还可以测量获得被测样品表面的二维温度场分布。因为光纤透镜焦点较小，这一方法的测量精度很高，对微米尺度的器件表面温度的测量同样适用。

附图说明

图1是全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量系统示意图。

图中，1-激光器，2-光纤环形器，3-光纤透镜，4-附有稀土薄膜的器件样品，5-光纤耦合器，6-第一光纤准直器，7-第二光纤准直器，8-第一滤光片，9-第二滤光片，10-光第三纤准直器，11-第四光纤准直器，12-第一探测器，13-第二探测器，14-三维位移平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的思想在于：

具有良好电绝缘性和热传导性的稀土发光薄膜，内部均匀分散有微米或亚微米尺度的稀土发光粉。由于稀土粒子具有热耦合能级，当该稀土发光薄膜涂覆于待测量器件表面时，在外界激光光源激发下，薄膜会产生两种不同波长的荧光，并且随器件温度不同，两种不同波长荧光的能量不同。通过探测并计算稀土薄膜表面某一点处两种不同波长荧光的能量比，即可以获得该点处待测量器件表面温度。因为光束的聚焦点可以达到微米尺寸，通过控制光束聚焦点在器件表面的位置，即可以实现器件表面微米尺度的温度测量分辨率。

本发明提供的一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量方法步骤如下：

步骤1：将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面，该薄膜具有良好的电绝缘性和热传导性；所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF₄、Yb³⁺和Ho³⁺粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面；

步骤2：将激光照射到稀土薄膜表面某一点，由于稀土粒子具有热耦合能级，稀土发光薄膜受激发出的两种波长的荧光对环境温度敏感，随器件温度不同，不同波长荧光的能量不同，采集稀土薄膜激发的两种波长的荧光；

步骤3：使用光纤透镜、光纤环形器、滤光片、光纤准直器等器件将两个不同波长的荧光分离并传输到探测器上；

步骤4：对两个不同荧光的能量分别进行解调，通过计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面某点处的温度，两束波长的能量比和温度满足以下关系：

其中，η为两束不同波长荧光的能量比，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T₁时的能量比η₁，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，其对上述使用的稀土薄膜取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度。

本发明还提供一种实现全光纤式设计的器件微米尺度温度分布测量的系统，包括激光器1、光纤环形器2、光纤透镜3，稀土薄膜4，光纤耦合器5、以及设置于光纤耦合器5之后光路中的第一光纤准直器6、第一滤光片8、第三光纤准直器10、第一探测器12和第二光纤准直器7、第二滤光片9、第三光纤准直器11、第二探测器13、三维位移平台14。

激光器1发出的光作为激发光源经光纤耦合输出后由端口1进入光纤环形器2，之后从光纤环形器2的端口2输出。光纤透镜3设置于光纤环形器2的端口2之后，激发光源经光纤透镜3会聚于稀土薄膜4表面某一点。稀土薄膜4涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台14上，通过三维位移平台14可以调整光束经过光纤透镜3后在稀土薄膜4表面的会聚点位置。稀土薄膜4受激发光源激发后，发出不同波长1和波长2的荧光。波长1和波长2的荧光混合在一起被光纤透镜3收集后，从端口2进入光纤环形器2并从端口3输出，到达设置于其后的光纤耦合器5。荧光经光纤耦合器5后分为光束1和光束2两束，分别经第一光纤准直镜6和第二光纤准直镜7准直到达分别设置于其后的第一滤光片8和第二滤光片9，其中第一滤光片8和第二滤光片9均为窄带滤光片，第一滤光片8仅允许波长1的光通过，第二滤光片9仅允许波长2的光通过。经滤波后，波长1的荧光经第三光纤准直器10收集后传导到与之相连接的第一探测器12，波长2的荧光经第四光纤准直器11收集后传导到与之相连接的第二探测器13。通过对第一探测器12和第二探测器13所探测到的信号进行解调，计算此两种不同波长荧光的能量比，并根据公式(1)即可以获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处表面的温度。通过调整三维位移平台18，使光纤透镜5的聚焦点遍历稀土薄膜6表面，也可以得到样品表面的二维温度分布。

所述的稀土薄膜4具有良好的电绝缘性和热传导性，内部分散有微米或亚微米尺度的稀土发光粉。激发光源照射稀土薄膜后会激发两种不同波长的荧光。同时由于稀土粒子具有热耦合能级，稀土薄膜受激发出的荧光对环境温度敏感，随器件的温度不同，波长1和波长2荧光的能量不同。

所述的光纤环形器2仅允许光束从端口1进入并从端口2输出，或者从端口2进入并从端口3输出。

本发明的实施例如图1所示，包括：激光器1，光纤环形器2，光纤透镜3，稀土薄膜4，光纤耦合器5，第一光纤准直器6，第二光纤准直器7，第一滤光片8，第二滤光片9，第三光纤准直器10，第四光纤准直器11，第一探测器12，第二探测器13，三维位移平台14。

所述的一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量系统的工作流程如下：激光器1发出的980nm的激光作为激发光源经光纤耦合输出后由端口1进入光纤环形器2，之后从光纤环形器2的端口2输出。光纤透镜3设置于光纤环形器2的端口2之后，激发光源经光纤透镜3会聚于稀土薄膜4表面上某一点。稀土薄膜4涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台14上，通过三维位移平台14可以调整光束经过光纤透镜3后在稀土薄膜4表面的会聚位置。稀土薄膜4受激发光源激发后，发出不同波长为525nm和波长为545nm的荧光。荧光混合在一起被光纤透镜3收集后，从端口2进入光纤环形器2并从端口3输出，到达设置于其后的光纤耦合器5。荧光经光纤耦合器5后分为光束1和光束2两束，分别经第一光纤准直镜6和第二光纤准直镜7准直到达分别设置于其后的第一滤光片8和第二滤光片9，其中第一滤光片8和第二滤光片9均为窄带滤光片，第一滤光片8仅允许波长525nm的光通过，第二滤光片9仅允许波长545nm的光通过。经滤波后，波长为525nm的荧光经第三光纤准直器10收集后传导到与之相连接的第一探测器12，波长为545nm的荧光经第四光纤准直器11收集后传导到与之相连接的第二探测器13。通过对第一探测器12和第二探测器13所探测到的信号进行解调，计算此两种不同波长荧光的能量比，并根据公式(1)即可以获得待测量器件表面光纤透镜聚光点的温度。进一步通过调整三维位移平台14，移动光纤透镜3的焦点位置遍历稀土薄膜4表面，最终可以得到样品表面的二维温度分布。

Claims (2)

1.一种全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量系统，其特征在于：包括激光器、光纤环形器、光纤透镜、稀土薄膜、光纤耦合器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一滤光片、第一探测器、第二滤光片、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第二探测器和三维位移平台；所述的稀土薄膜所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF₄、Yb³⁺和Ho³⁺粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面，稀土薄膜涂覆在待测量器件样品表面，待测量器件样品固定于三维位移平台上；所述激光器发出的激发光源经光纤耦合输出后由端口1进入光纤环形器，由光纤环形器的端口2输出，经光纤透镜会聚于稀土薄膜表面；通过三维位移平台调整光束经过光纤透镜后在稀土薄膜表面的焦点位置；稀土薄膜受激发光源激发后发出两种不同波长的荧光，两种不同波长的荧光的能量比其中，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T₁时的能量比η₁，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度；两种荧光混合在一起被光纤透镜收集，从端口2进入光纤环形器并从端口3输出，经光纤耦合器分为光束1和光束2，光束1经第一光纤准直镜准直到第一滤光片；光束2第二光纤准直镜准直到第二滤光片，第一滤光片和第二滤光片均为窄带滤光片，第一滤光片仅允许波长1的光通过，第二滤光片仅允许波长2的光通过；滤波后波长1的荧光经第三光纤准直器收集传导到第一探测器，波长2的荧光经第四光纤准直器收集传导到第二探测器；通过对第一探测器和第二探测器所探测到的信号进行解调，计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处的温度；通过调整三维位移平台使光纤透镜的焦点遍历稀土薄膜表面，得到待测量器件样品表面的二维温度分布。

2.根据权利要求1所述的全光纤式设计的器件微米尺度温度分布的测量系统，其特征在于：所述的光纤环形器仅允许光束从端口1进入并从端口2输出，或者从端口2进入并从端口3输出。